使用手机APP实现FTU人机交互界面设计*

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(1.西安工程大学 计算机科学学院，西安 710048；2.国网陕西省电力公司)

引 言

随着配电网技术的快速发展，城市配电网自动化监控的覆盖面不断扩大[1-2]，但是配电馈线终端FTU的现场检测和维护十分不便[3]，主要原因是FTU一般架设在柱上，操作FTU自带的人机交互接口(MMI)必须借助梯子等登高工具，采用便携式电脑作为维护终端也需要登高才能进行通信连接。针对这一情况，一些工程技术人员和厂商提出了无接触维护方式[3-5]，采用专用PDA手持终端实现FTU的无线人机交互，在FTU操作箱附近对其进行自检、设置/修改其配置信息，大大改善了FTU维护的方便性。也有一些学者使用PDA实现了便携式信息管理，丰富了PDA功能的实现思路和实现技术[6-7]。随着智能手机的广泛应用，在手机上开发APP小程序实现PDA的功能已十分常见[8-10]，从另一侧面也说明本项目设计具有技术可行性。考虑到配电线路操作的敏感性，手机APP就可以对配电开关进行分合操作，这种情况必须加以严格限制，防止造成不必要的停电事故。借鉴手机电子商务通过实时获取验证码的方式[8,11]对手机进行绑定，在管理中心许可后，手机APP方可对FTU进行控制操作，从而实现智能手机人机交互功能的安全管理，既方便了FTU的现场无线维护，又不失手机APP实现MMI的安全性。这里就项目的设计与实现技术进行简单介绍。

1 FTU中蓝牙链路扩展

1.1 基于蓝牙技术的智能手机APP解决方案

蓝牙技术[12]是一种目前广泛使用的短距离无线通信技术，使用蓝牙技术可以将智能手机、PDA手持终端、笔记本电脑等便于携带的智能设备与计算机设备实现无线通信连接。蓝牙技术基于RF技术实现，支持半径为10 m的无线通信距离，通信连接具有简洁、快速、方便等特点，因此非常受使用者欢迎。FTU馈线终端俗称柱上控制器，大多安装在配电网线路的电线杆上，是配电网自动化系统的核心组件之一[4]。为了方便柱上FTU现场检修和维护，本项目采用了智能手机+APP工具的解决方案[10]，为此需要在FTU主板上扩展蓝牙模块，以便提供本解决方案的物理通信链路支撑。

1.2 FTU蓝牙功能扩展

为了实现FTU与智能手机之间的蓝牙通信连接，这里选用了广州汇承公司出品的HC-05型蓝牙模块[13-14]扩展FTU的无线通信接口。该模块基于蓝牙2.0规范，具有-40～70 ℃宽温范围，满足FTU现场使用的条件。使用FTU现有的异步串口，通过AT指令即可实现FTU与外部计算机的无线串口通信。

为了将HC-05模块安装在FTU主板上，这里采用了硬件模板升级的方式，更改原有的电路原理图，扩展本功能。HC-05蓝牙模块接入FTU中MCU的电路如图1所示。

图1 蓝牙模块接入FTU的电路设计

根据HC-05技术手册[13]，图中串口通信线(BT_RXD和BT_TXD)接在MCU的UART1接口，模块的控制线(BT_RST、BT_KEY和BT_LED)与MCU的GPIO引脚相连，从而实现MCU对该模块的管理和通信功能。

为了实现蓝牙模块的透传功能，需要使用HC-05模块中的4个AT指令：通信测试、修改名称、修改波特率、修改配对密码[14]。为了实现对蓝牙模块的维护管理，设置FTU中的蓝牙模块工作在自动连接工作模式，并处于从工作模式。FTU中应用软件增加了专门操作命令，实现蓝牙模块的通信参数管理。

1.3 FTU与APP的通信业务实现

为了实现FTU与APP的数据交换，本文采用了类Modbus协议，即遵循Modbus协议中RTU帧的格式规范，扩展功能码，制定私密通信帧，防止无关人员编写的手机APP与FTU进行报文通信。此外，为了防止明文报文被偷听，这里对Modbus协议帧中的数据域进行了简单加密，即发送端对数据域做加0x33h处理，接收端做减0x33h处理，防止非专门技术人员进行报文监听。

针对人机交互的功能需求，扩展了读开关量状态、读模拟量采集码、发控制输出命令、设置定值等功能码和帧格式，并在FTU应用软件中扩展实现了这些通信业务，配合手机APP实现人机交互功能。

2 智能手机人机交互APP设计

2.1 APP方案

为了使用智能手机实现FTU的人机交互界面，所设计的APP小程序必须具有如下功能：与管理中心服务器的GSM通信，使用动态口令进行身份验证；FTU的人机交互界面；与FTU的人机交互通信，如图2所示。

图2 智能手机APP工具的功能

图2中，FTU通过功能扩展已实现了蓝牙通信链路，并具有MMI通信业务的功能，手机APP采用扩展的类Modbus协议与之通信，实现MMI界面实时更新功能；智能手机采用4G网络通信，与管理中心服务器进行加密通信，获取验证码，得到操作授权，而后手机进入MMI界面，进行相应的人机交互工作；管理中心服务器具有用户名、手机号绑定功能，自动发送并检测验证码，向手机APP发送操作授权；手机APP获得操作授权之后，如果10分钟内不再进行MMI操作，则自动取消授权，如需继续操作，要重新获得管理中心授权。

手机APP选用了基于 Android 平台的开发技术，使用 Eclipse 作为开发工具，设计并实现上述功能。

2.2 动态口令验证

由于FTU能控制配网分段开关分合，其Flash中存储的保护定值也是非常关键的参数，对FTU的现场维护需要在授权下谨慎为之。而智能手机是广泛使用的移动设备，使用其作为FTU的维护终端必须要有严格的安全措施。为了达到这一目标，这里借鉴手机电子商务中动态身份验证的方法，对智能手机的身份进行验证，确保万无一失。

动态口令验证技术有多种类型，这里使用了挑战/应答方式(Challenge/Response)的身份验证技术，认证服务通过手机短信方式实现，在企业信息管理系统中进行身份验证，这种方法具有技术简单、保密性强等特点[15]。

图3 挑战/请求方式的认证过程

其验证过程如图3所示。图中，U为User，即用户名；IP在手机验证时不使用；Umpn即User mobile phone number，手机号；R为验证码，T为TEA加密算法，Code为静态口令。APP启动过程中，用户必须首先完成登录，才能进入MMI交互界面。

管理中心服务器采用GPRS+SIM模块方式实现手机短信通信，服务器软件负责用户名和手机号绑定，并通过动态验证码进行身份验证。手机APP和服务器软件采用现有常用的TEA算法(Tiny Encryption Algorithm)实现短信内容加密[15]，确保身份验证过程中的安全性。手机MMI界面如果10分钟内无有效操作，APP将自动退出登录状态。

2.3 MMI人机交互界面

人机交互界面使用xml布局文件设计，包括操作菜单、主信息显示、运行状态/告警指示三个区域，以用户喜闻乐见的界面展示MMI的输出画面。

2.4 与FTU数据通信

手机APP采用蓝牙方式与FTU通信。通信之前，先使用手机的“设定”功能，实现FTU蓝牙设备的扫描和配对，配对成功之后方可使用手机的这一功能。

手机APP启动时，根据用户选择，使用指定的蓝牙配对与FTU进行P2P通信。为了实现底层类Modbus协议通信，这里使用了蓝牙Socket通信编程技术，并使用子线程和输入/输出流(InputStream/OutputStream)在底层实现报文交互。为了从所接收字节流中识别Modbus报文帧，线程按照Modbus帧格式中的ID、FUNC、LEN、BODY、CRC等字段构建上下文相关的状态机，自动搜索报文，防止ID与报文字节值相同而发生帧失步的情况。子线程自动检测请求帧和响应帧之间的时间差，判断通信流程是否超时，并进行通信自愈和告警。收到完整报文、CRC校验正确之后将报文帧转交主线程解帧处理。报文发送则相对简单，计算报文长度之后，调用write和flush成员函数发出信息。主线程根据解帧的结果，刷新实时显示的界面或告知控制操作、定值修改的结果。

3 调试与检测

在完成FTU蓝牙功能扩展和智能手机MMI应用软件设计开发之后，在实验室和工程现场对所设计的项目进行了验证测试，测试结果表明，FTU的升级工程中手机MMI子项目各项功能都能正常运行，满足用户技术规范书的要求。

结 语